1、1(High-temperature alloy) 高温合金的定义和发展高温合金的定义和发展 高温合金的特性和分类高温合金的特性和分类 高温合金的高温性能要求高温合金的高温性能要求 提高高温合金性能的途径和方法提高高温合金性能的途径和方法 高温合金的应用高温合金的应用 高温合金的未来高温合金的未来 高温合金的制备工艺高温合金的制备工艺21.1.高温合金的定义和发展高温合金的定义和发展 高温合金高温合金是指能在是指能在6001200高温下仍能保持高温下仍能保持按设计要求正常工作的金属材料。按设计要求正常工作的金属材料。 随着人类飞向随着人类飞向太空，核动力、光太空，核动力、光子火箭的发展，对子火
2、箭的发展，对高温的要求进一步高温的要求进一步提高，将超出金属提高，将超出金属高温合金的极限，高温合金的极限，需要发展其他类型需要发展其他类型的高温材料。的高温材料。图图1 高温合金的发展过程高温合金的发展过程32.2.高温合金的特性和分类高温合金的特性和分类耐高温金属材料耐高温金属材料耐热钢耐热钢低合金耐热钢低合金耐热钢铁素体系耐热钢铁素体系耐热钢奥氏体系耐热钢奥氏体系耐热钢500 700 高温合金高温合金铁基（铁镍基）高温合金铁基（铁镍基）高温合金钴基高温合金钴基高温合金镍基高温合金镍基高温合金弥散强化合金弥散强化合金狭义高狭义高温合金温合金700 1200定向凝固高温合金定向凝固高温合金钼
3、基、铬基、钨基高温合金钼基、铬基、钨基高温合金表表1 耐热合金和高温合金的分类耐热合金和高温合金的分类 在高温下合金能具有在高温下合金能具有较高的强度较高的强度，良好的疲劳性能良好的疲劳性能、断裂韧断裂韧度度，以及，以及强的抗氧化强的抗氧化和和抗热腐蚀抗热腐蚀性能，并保持性能，并保持良好的组织稳定性良好的组织稳定性和和可靠的使用性能可靠的使用性能等综合性能。等综合性能。4(1) 铁基（铁镍基）高温合金铁基（铁镍基）高温合金 铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在铁基高温合金由奥氏体不锈钢发展而来，在18-8型不锈钢中加入钼、型不锈钢中加入钼、铌、钛等合金元素，使其在铌、钛等合金元素，使其在50
4、0700温度下的持久强度提高。温度下的持久强度提高。优点：优点：成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃成本低，可用于制作一些使用温度较低的航空发动机和工业燃气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。气机上的涡轮盘、导向叶片，以及一些承力件、紧固件等。缺点：缺点：铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高铁基高温合金由于沉淀硬化型的组织不稳定，抗氧化性差，高温强度不够，仅可使用于温强度不够，仅可使用于800，(2) 镍基高温合金镍基高温合金 以镍为基体，以镍为基体，w Ni 50%，可在，可在7001000温度范围内使用。温度范围内使用。优点：优点：镍基高温
5、合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高镍基高温合金可溶解较多的元素，具有较好的组织稳定性，高温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。温强度较高，比铁基高温合金有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。5(3) 钴基高温合金钴基高温合金 w Co在在4060的奥氏体高温合金，工作温度可达的奥氏体高温合金，工作温度可达7301100。优点：优点：当温度高于当温度高于980时，其强度很高，抗热疲劳、热腐蚀和耐磨腐时，其强度很高，抗热疲劳、热腐蚀和耐磨腐蚀性都很佳，适合于航空发动机，工业燃气轮机，舰船燃气轮机的导向蚀性都很佳，适合于航空发动机，工业燃气轮机，舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片
6、以及柴油机的喷嘴等。叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机的喷嘴等。缺点：缺点：一般钴基高温合金含一般钴基高温合金含w Ni = 10%22% 和和 w Cr = 20%30%，以，以及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以及钨、钼、钽、铌等固溶强化和碳化物形成元素，其含碳量较高，是以碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如碳化物为主要强化相的高温合金，缺少共格类的强化相，中温强度不如镍基高温合金。镍基高温合金。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。钴是重要的战略物质，大多数国家缺乏，因此发展受到严重限制。63.3.高温合金的高温性能要求高
7、温合金的高温性能要求 高温合金工作在高温合金工作在6001200，高温性能要求：，高温性能要求： 高温下的力学性能；高温下的力学性能； 高温下的抗腐蚀性能。高温下的抗腐蚀性能。(1) 高温下的力学性能高温下的力学性能 持久强度持久强度 指合金在一定温度、一定时间下的断裂强度。要求获指合金在一定温度、一定时间下的断裂强度。要求获得此条件下的最大强度，以得此条件下的最大强度，以 表示。其中表示。其中A，B为材料常数，为材料常数， 为时为时间间(h)， 是应力是应力(MPa)。持久强度与温度梯度和波动，材料的缺口和应力集持久强度与温度梯度和波动，材料的缺口和应力集中等因素有关。中等因素有关。 热疲劳
8、热疲劳 随热循环应力增加，循环温度或平均温度的增加而下降；随热循环应力增加，循环温度或平均温度的增加而下降；循环频率增加，热疲劳强度增加。循环频率增加，热疲劳强度增加。应力集中也会降低金属热疲劳强度。应力集中也会降低金属热疲劳强度。 松弛松弛 零部件在长期应力作用下，其总变形不变，零部件所受的零部件在长期应力作用下，其总变形不变，零部件所受的应力随时间的增加而自发地逐渐降低的现象。应力随时间的增加而自发地逐渐降低的现象。此为为高温下合金内部组织此为为高温下合金内部组织不稳定引起。不稳定引起。BA7 蠕变蠕变 指温度高于指温度高于0.5T熔点熔点下，材料承受远低于屈服强度的应力时，随下，材料承受
9、远低于屈服强度的应力时，随着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。典型的蠕变曲线见图着时间的持续增加而产生的缓慢塑性变形的现象。典型的蠕变曲线见图2所示，根据变形速率随时间的变化，蠕变所示，根据变形速率随时间的变化，蠕变曲线可分为三个阶段。曲线可分为三个阶段。 第一阶段第一阶段，即蠕变的减速阶段。随，即蠕变的减速阶段。随时间的增加，形变量增加，变形速率降时间的增加，形变量增加，变形速率降低，见右图的低，见右图的AB段。段。 第二阶段第二阶段，即恒定蠕变阶段。此时，即恒定蠕变阶段。此时蠕变变形速率随加载时间的延长而保持蠕变变形速率随加载时间的延长而保持不变，如不变，如BC段。段。 第三阶段第
10、三阶段，蠕变的加速阶段。蠕变，蠕变的加速阶段。蠕变形变速率显著增加，当达图中形变速率显著增加，当达图中D点时，材点时，材料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变料断裂，温度越高，承受力越大，蠕变断裂时间越短。断裂时间越短。图图2 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线8(2) 抗腐蚀性抗腐蚀性 提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、热腐蚀性，可采用在合金中加入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或入其它元素，或在合金表面涂层的方法，如在合金的表面渗铝、渗硅或鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。鉻铝、鉻硅共渗，陶瓷涂层等。 提高位错在滑移面上运动的阻
11、力，减缓位错扩散型运动提高位错在滑移面上运动的阻力，减缓位错扩散型运动过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶过程，改善晶界结构状态，以增加晶界强化作用，或消除晶界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。界在高温时的薄弱环节，以提高高温合金高温力学性能。94.4.提高高温合金性能的途径和方法提高高温合金性能的途径和方法 结构强化结构强化 1) 固溶强化固溶强化 加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、加入其它元素，如不同原子尺寸的元素钴、钨、钼钼等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低等，引起基体金属的点阵畸变。钨、钼可缓减基体金属扩散；钴降低合合金基
12、体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。金基体的堆垛层错能，从而提高合金的高温稳定性。 固溶强化与下列因素有关：固溶强化与下列因素有关：溶质和溶剂原子大小差。溶质和溶剂原子大小差。溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻溶质原子产生点阵畸变的长程内应力场，阻碍位错运动。碍位错运动。溶质和溶剂原子弹性模量的差别。溶质和溶剂原子弹性模量的差别。 改变溶质原子处位错的弹性应力场。改变溶质原子处位错的弹性应力场。静电交互作用。静电交互作用。晶体中刃位错产生的弹性畸变会引起费密能变化，导晶体中刃位错产生的弹性畸变会引起费密能变化，导致金属导电电子从受压缩区域流向受拉伸区域，产生电偶极子。溶质致金属导电电
13、子从受压缩区域流向受拉伸区域，产生电偶极子。溶质原子的导电电子参与分布，使之成为一个带正电荷的离子，从而在它原子的导电电子参与分布，使之成为一个带正电荷的离子，从而在它与位错之间出现短程的静电交互作用，使位错运动阻力增加。但这种与位错之间出现短程的静电交互作用，使位错运动阻力增加。但这种作用比弹性交互作用要小很多。作用比弹性交互作用要小很多。10动化学交互作用。动化学交互作用。溶质原子在面心立方金属中层错处的平衡浓度不同，溶质原子在面心立方金属中层错处的平衡浓度不同，这种不均匀分布，即所谓铃木气团（这种不均匀分布，即所谓铃木气团（Suzuki气团）。它的强化作用比气团）。它的强化作用比体心立方
14、金属中的体心立方金属中的Contrell气团和气团和Snock气团产生的弹性交互作用要气团产生的弹性交互作用要小一个数量级，但其稳定性较高，将位错从铃木气团脱钉出所需的激小一个数量级，但其稳定性较高，将位错从铃木气团脱钉出所需的激活能高达活能高达1eV。因此对于位错运动阻力，它的作用较大。因此对于位错运动阻力，它的作用较大。动短程有序原子。动短程有序原子。当溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能当溶质原子数量较多，并且异类原子之间的作用能不同于同类原子时，固溶体可能出现一定程度的短程有序。位错运动不同于同类原子时，固溶体可能出现一定程度的短程有序。位错运动通过有序区时，由雨全部或部分破坏原
15、子有序关系而增加了位错运动通过有序区时，由雨全部或部分破坏原子有序关系而增加了位错运动阻力。阻力。层错能降低的强化。层错能降低的强化。层错能是影响蠕变变形的重要因素。对纯金属而层错能是影响蠕变变形的重要因素。对纯金属而言，蠕变第二阶段变形速率与层错能的言，蠕变第二阶段变形速率与层错能的3. 5 次方成比例，低层错能合次方成比例，低层错能合金的高温强度较高。对于高温合金，降低合金层错能的固溶元素，有金的高温强度较高。对于高温合金，降低合金层错能的固溶元素，有利于降低蠕变变形。可以粗略地把合金元素对层错能影响归纳为线性利于降低蠕变变形。可以粗略地把合金元素对层错能影响归纳为线性关系。合金元素对镍的
16、层错能的影响依减：关系。合金元素对镍的层错能的影响依减：WTiCrCoCuFe。11 高温合金中、合金元素的固溶强化作用，首先是与溶质和溶剂原子高温合金中、合金元素的固溶强化作用，首先是与溶质和溶剂原子尺寸因素差别相关联；此外，两种原子的电子因素差别和化学因素差别尺寸因素差别相关联；此外，两种原子的电子因素差别和化学因素差别都有很大影响，而这些因素也是决定合金元素在基体中的溶解度的因素。都有很大影响，而这些因素也是决定合金元素在基体中的溶解度的因素。固溶度小的合金元素较之度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作固溶度小的合金元素较之度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作用，但其溶解度小又限制
17、其加入量；固溶度大的元素可以增加其加入量用，但其溶解度小又限制其加入量；固溶度大的元素可以增加其加入量而获得更大的强化效果。而获得更大的强化效果。 2) 沉淀强化沉淀强化 通过高温固溶后淬火时效的方法，使过饱和的固溶体中通过高温固溶后淬火时效的方法，使过饱和的固溶体中析出共格第二相的析出共格第二相的, , 碳化物等细小颗粒均匀分布基体上，产生阻碳化物等细小颗粒均匀分布基体上，产生阻碍位错运动，起到强化作用。碍位错运动，起到强化作用。 沉淀强化与下列因素有关：沉淀强化与下列因素有关： 错配度。错配度。错配度错配度 共格应力强化是共格应力强化是相强化的一个重要因素，错相强化的一个重要因素，错配度越
18、大，强化越高。图配度越大，强化越高。图3示出示出Ni-AI-Me合金高温最大硬度与错配度关合金高温最大硬度与错配度关系，在系，在相强化的相强化的Ni-AI二元合金中加入铌二元合金中加入铌 、钽、钒、硅、锰、镓、钽、钒、硅、锰、镓12 及碳等元素，高温硬度随晶格错配度线性增加，其及碳等元素，高温硬度随晶格错配度线性增加，其 760 高温抗拉强高温抗拉强度也有相同变化趋势。度也有相同变化趋势。图图3 Ni-Al-Me合金高温最大硬度与错配度合金高温最大硬度与错配度(871/50h时效时效)关系关系13沉淀相尺寸。沉淀相尺寸。 相大小是一个非常重要的参数，其存在一个临界质点尺相大小是一个非常重要的参
19、数，其存在一个临界质点尺寸，临界尺寸处可获得最大的强化效果。临界质点尺寸与寸，临界尺寸处可获得最大的强化效果。临界质点尺寸与相含量有关，相含量有关，相含量越多，临界尺寸越大。相含量越多，临界尺寸越大。图图4 Ni-Cr-Al-Ti合金中合金中相尺寸对高温性能的影响相尺寸对高温性能的影响14图图5相含量对镍基合金性能的影响相含量对镍基合金性能的影响沉淀相含量。沉淀相含量。 相的量是获得强化效果的基本条件。对镍基合金，可以相的量是获得强化效果的基本条件。对镍基合金，可以通过加入铝、钛、铌等通过加入铝、钛、铌等相形成元素而大量增加相形成元素而大量增加相含量，也可以用钴、相含量，也可以用钴、铁、铬等元
20、素降低铁、铬等元素降低相的溶解度来增加相的溶解度来增加相含量。相含量。15 3) 晶界强化晶界强化 晶界在低温下是位错滑移的阻碍，对于在低温工作的晶界在低温下是位错滑移的阻碍，对于在低温工作的合金，细化晶粒将有利于合金的强度提高。但是晶界在高温下易发生蠕合金，细化晶粒将有利于合金的强度提高。但是晶界在高温下易发生蠕动，因此在高温下使用的合金希望减少晶界的粗晶结构；另外为了提高晶动，因此在高温下使用的合金希望减少晶界的粗晶结构；另外为了提高晶界的高温强度，采用控制有害杂质，加入微量元素如锆等元素，强化晶界。界的高温强度，采用控制有害杂质，加入微量元素如锆等元素，强化晶界。 晶界强化与下列因素有关
21、：晶界强化与下列因素有关：弯曲晶界。弯曲晶界。用特殊的方法用特殊的方法得到弯曲的晶界，可降低得到弯曲的晶界，可降低晶界滑移的速率。图晶界滑移的速率。图6示出示出GH220高温合金的蠕变性高温合金的蠕变性能。在能。在850、343MPa条条件下，从图件下，从图6看出，弯曲晶看出，弯曲晶界有效地提高了合金的蠕界有效地提高了合金的蠕变性能。变性能。图图6 GH220高温合金的蠕变性能高温合金的蠕变性能16强化晶界元素。强化晶界元素。这些微量元这些微量元素有硼，钡锆，镁，铪等，素有硼，钡锆，镁，铪等，偏析于晶界，改善晶界第二偏析于晶界，改善晶界第二相相(碳化物等碳化物等)的分布形态和的分布形态和分布，
22、以及晶界附近区域的分布，以及晶界附近区域的组织组织(如贫如贫区区)，从而改善晶，从而改善晶界强度和塑性。图界强度和塑性。图7示出示出GH220合金中镁对晶界碳化合金中镁对晶界碳化物物M6C相分布的改善。相分布的改善。控制有害杂质。控制有害杂质。这些杂质元素往往是低熔点的，偏析在晶界，并与基体这些杂质元素往往是低熔点的，偏析在晶界，并与基体生成低熔点的化合物或共晶体。如氮气、氧气、氢气含量，对高级的镍生成低熔点的化合物或共晶体。如氮气、氧气、氢气含量，对高级的镍基高温合金，氧和氮的质量分数必须小于基高温合金，氧和氮的质量分数必须小于1010-6，一般的高温合金氮，一般的高温合金氮的质量分数约的质
23、量分数约4010-65010-6。对合金含硫和磷的质量分数控制在小。对合金含硫和磷的质量分数控制在小于于510-6，可明显提高高温热强性。稀土和碱土元素对气体，硫，磷等，可明显提高高温热强性。稀土和碱土元素对气体，硫，磷等有害杂质有较大的亲和力，形成难熔化合物，起净化作用。有害杂质有较大的亲和力，形成难熔化合物，起净化作用。图图7 GH220合金中镁对晶界碳化物合金中镁对晶界碳化物M6C相分布的改善相分布的改善 a)无无 Mg b) w Mg =0.0048%17碳化物和氧化物强化。碳化物和氧化物强化。碳化物硬而脆，与基体呈非共格阻挠位错切割。碳化物硬而脆，与基体呈非共格阻挠位错切割。一些碳化
24、物在高温下易溶解，低温可析出，高温具有一定的稳定性，不一些碳化物在高温下易溶解，低温可析出，高温具有一定的稳定性，不易长大。此类碳化物有易长大。此类碳化物有VC，M23C6，NbC等，增加碳化物的含量和它的等，增加碳化物的含量和它的弥散度有利于提高强化效果，但过高的饱和度形成大块的碳化物析出，弥散度有利于提高强化效果，但过高的饱和度形成大块的碳化物析出，会引起脆性。通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下保持稳定的细小会引起脆性。通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下保持稳定的细小氧化物颗粒，如氧化物颗粒，如ThO2，Y2O3，Al2O3等，呈弥散分布，起到钉扎位错和等，呈弥散分布，起到钉扎位错和阻
25、碍位错运动的作用。阻碍位错运动的作用。(2) 工艺强化工艺强化 1) 粉末冶金粉末冶金 高熔点元素钨、钼、钽的加入，凝固时会在铸件内部高熔点元素钨、钼、钽的加入，凝固时会在铸件内部产生偏析，造成组织不均。采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压产生偏析，造成组织不均。采用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结，成形的零件，可消除偏析，组织均匀，并节省材料，做到既经制、烧结，成形的零件，可消除偏析，组织均匀，并节省材料，做到既经济又合理。济又合理。18 2) 定向凝固定向凝固 由于高温合金中存在多种合金元素，塑性和韧性都很由于高温合金中存在多种合金元素，塑性和韧性都很差，通常采用精密铸造工
26、艺成型。铸造结构中的等轴晶粒的晶界，处于垂差，通常采用精密铸造工艺成型。铸造结构中的等轴晶粒的晶界，处于垂直于受力方向时，最易产生裂纹。叶片旋转时受的拉应力和热应力，平行直于受力方向时，最易产生裂纹。叶片旋转时受的拉应力和热应力，平行于叶片的纵轴，采用定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于叶片的纵轴，采用定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直于应力方向的晶界，可使热疲劳寿命提高于应力方向的晶界，可使热疲劳寿命提高10倍以上。通过严格控制陶瓷壳倍以上。通过严格控制陶瓷壳型冷却梯度方法，做成单晶涡轮叶片，其承温能力比一般铸造方法的材料型冷却梯度方法，做成单晶涡轮叶片，其承温能力比
27、一般铸造方法的材料承温提承温提50100，寿命增加，寿命增加4倍。倍。 3) 快速凝固快速凝固 快速凝固得到的高温合金，合金的组织细化，偏析降快速凝固得到的高温合金，合金的组织细化，偏析降低，固溶体基本过饱和度和缺陷增加，从而改善合金的组织，使前述各种低，固溶体基本过饱和度和缺陷增加，从而改善合金的组织，使前述各种强化手段的作用得到充分发挥。原来在一般凝固条件下不能获得良好的组强化手段的作用得到充分发挥。原来在一般凝固条件下不能获得良好的组织，在快速凝固条件下则可获得优良的、非平衡状态组织。例如在快速凝织，在快速凝固条件下则可获得优良的、非平衡状态组织。例如在快速凝固条件下，镍基高温合的主要强
28、化相可以不仅是传统的固条件下，镍基高温合的主要强化相可以不仅是传统的相，还可以得到相，还可以得到大批的、均匀细小的碳化及硼化物相、大批的、均匀细小的碳化及硼化物相、-Mo相等。在快速凝固条件下，相等。在快速凝固条件下，由于这些相均匀细小的时效析出或共晶析出而起强化作用。由于这些相均匀细小的时效析出或共晶析出而起强化作用。195.5.高温合金的应用高温合金的应用(1) 航空发动机航空发动机 1) 燃烧室燃烧室 部分压缩空气与燃料混合，在燃烧室燃烧，所产生的燃部分压缩空气与燃料混合，在燃烧室燃烧，所产生的燃气温度在气温度在15002000之间。其余的压缩空气在燃烧室周围流动，穿过之间。其余的压缩空
29、气在燃烧室周围流动，穿过室壁的槽孔使室壁保持冷却。燃烧筒合金材料承受温度可达室壁的槽孔使室壁保持冷却。燃烧筒合金材料承受温度可达800900以上，局部可达以上，局部可达1100。冷却空气与燃烧的气体混合，使燃气温度降到。冷却空气与燃烧的气体混合，使燃气温度降到1370以下。可见，燃烧室壁除受高温外，还承受由于内外壁温度不同以下。可见，燃烧室壁除受高温外，还承受由于内外壁温度不同引起的热应力作用。特别是在起飞、加速和停车时，温度变化更为急剧。引起的热应力作用。特别是在起飞、加速和停车时，温度变化更为急剧。由于周期循环加热冷却，热应力可达很大值，冷却孔更易破坏、燃烧室由于周期循环加热冷却，热应力可
30、达很大值，冷却孔更易破坏、燃烧室常出现变形、翘曲、边缘热疲劳裂纹等。常出现变形、翘曲、边缘热疲劳裂纹等。 2) 导向叶片导向叶片 导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件。导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件。先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达1100，但叶片承受的应力比，但叶片承受的应力比较低，一般在较低，一般在70MPa以下。对材料要求是：高温强度好，热疲劳抗力佳，以下。对材料要求是：高温强度好，热疲劳抗力佳，抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性。抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性。 20 3) 动
31、叶片动叶片 动叶片是涡较发动机中工作条件最恶劣的部件。先进航动叶片是涡较发动机中工作条件最恶劣的部件。先进航空发动机的燃气进口温度已达空发动机的燃气进口温度已达1380，推力达，推力达226kN 。涡轮叶片承受气。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，叶身部分承受拉应力大约动力和离心力的作用，叶身部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受；叶根部分承受平均应力为平均应力为280560MPa，相应的叶身承受温度为，相应的叶身承受温度为650980，叶根部，叶根部分约为分约为760。因此，动叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度。因此，动叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有
32、良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度，可铸性及较塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度，可铸性及较低的密度。低的密度。 4) 涡轮盘涡轮盘 航空发动机涡轮盘工作温度在航空发动机涡轮盘工作温度在760左右，轮缘部分可左右，轮缘部分可达此温度，而径向盘心温度逐渐降低，一般在达此温度，而径向盘心温度逐渐降低，一般在300左右。轮盘正常运转左右。轮盘正常运转时，盘子带着叶片、高速旋转产生很大的离心力。停车、起动反复进行，时，盘子带着叶片、高速旋转产生很大的离心力。停车、
33、起动反复进行，形成周期疲劳。形成周期疲劳。21(2) 火箭发动机火箭发动机 图图8是液体燃料火箭发动机示意图。透平泵机组的气体发生器处于约是液体燃料火箭发动机示意图。透平泵机组的气体发生器处于约1050的温度下，由喷嘴中喷出的气体的速度约为的温度下，由喷嘴中喷出的气体的速度约为2500m/s。气体靠近。气体靠近嘴壁处的温度约为嘴壁处的温度约为1350。对没有特殊防护的一般金属只能做短时忍耐。对没有特殊防护的一般金属只能做短时忍耐。图图8 液体燃料火箭发动机示意图液体燃料火箭发动机示意图1-喷嘴喷嘴 2-燃烧室燃烧室 3-混合带混合带 4-喷射器喷射器 5-主气门主气门 6-气体发生气体发生器器
34、 7-涡轮机涡轮机 8-透平泵透平泵 9-氧化氧化剂剂 10-压缩气压缩气 11-燃料燃料 12-涂料涂料 13，14-金属金属 15-冷却剂冷却剂 16-气气体体(约约2500m/s)22 燃料箱、泵传送器所用材料，特别需要化学稳定性。液态氟以及作为燃料箱、泵传送器所用材料，特别需要化学稳定性。液态氟以及作为氧化剂的发烟硝酸和四氧化氮，具有特别强烈的侵蚀性，除了在氧化剂的发烟硝酸和四氧化氮，具有特别强烈的侵蚀性，除了在1000以以上的工作温度下出于腐蚀而引起的问题之外，流过的气态燃烧产物也产生上的工作温度下出于腐蚀而引起的问题之外，流过的气态燃烧产物也产生冲蚀性。冲蚀性。 火箭启动时，在火箭
35、启动时，在12s内，其加速度是内，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度过载，会对材料施加非常巨大的机械负荷，尽管于加速度增高引起的高度过载，会对材料施加非常巨大的机械负荷，尽管元件所受应力是短时的，但由于其载荷的大小和方向急剧地发生变化，往元件所受应力是短时的，但由于其载荷的大小和方向急剧地发生变化，往往会引起疲劳断裂。火箭本身重量必须尽可能的小，因此，金属材料的比往会引起疲劳断裂。火箭本身重量必须尽可能的小，因此，金属材料的比强度在火箭制造中具有特别重要的意义。强度在火箭制造中具有特别重要的意义。 弹道火箭进入大气层时，热流量为弹道火箭进入大
36、气层时，热流量为1000025000kcal/(m2s)，它在短，它在短时间内，引起巨大的温度梯度，长时间作用则会建立起平衡温度。对金属时间内，引起巨大的温度梯度，长时间作用则会建立起平衡温度。对金属材料的耐热性有特殊的要求。材料的耐热性有特殊的要求。23 国外长程大推力火箭发动机采用国外长程大推力火箭发动机采用Inconel718合金制造高压导管，国合金制造高压导管，国内研制的内研制的GH169合金管的疲劳寿命约为合金管的疲劳寿命约为1Cr18Ni9Ti钢管的钢管的3倍以上，具倍以上，具有良好弯管和焊接等工艺性能，还可用于发动机涡轮转子和主铀。有良好弯管和焊接等工艺性能，还可用于发动机涡轮转
37、子和主铀。 GH30金丝网多孔发散冷却材料用于火箭发动机、制作喷注器面板，金丝网多孔发散冷却材料用于火箭发动机、制作喷注器面板，既作防热材料又作结构材料使用。喷注器面板上固定有许多氢气、氧气既作防热材料又作结构材料使用。喷注器面板上固定有许多氢气、氧气喷嘴，氢气和氧气喷进燃烧室进行燃烧，面板两侧的温度差异极大，一喷嘴，氢气和氧气喷进燃烧室进行燃烧，面板两侧的温度差异极大，一面为超低温面为超低温-150，另一面为超高温，另一面为超高温3500。能承受发动机点火的瞬间。能承受发动机点火的瞬间产生强烈的振动使面板受到的较大冲击载荷，并成功地用于通信卫星上。产生强烈的振动使面板受到的较大冲击载荷，并成
38、功地用于通信卫星上。 GH131铁基高温合金旋压管用于大型液体火箭发动机涡轮燃气进气铁基高温合金旋压管用于大型液体火箭发动机涡轮燃气进气导管，还用于导管，还用于9001000使用的大型火箭发动机燃烧室、隔热板、涡轮使用的大型火箭发动机燃烧室、隔热板、涡轮进气导管，以及航空发动机的加力燃烧室、鱼鳞片等。进气导管，以及航空发动机的加力燃烧室、鱼鳞片等。 GH188A合金与国际上最高强化型合金与国际上最高强化型-钴基变形合金钴基变形合金HS-188相当，用于相当，用于液体火箭姿态控制器发动机头部与身部结合处的高温弹性密封件。液体火箭姿态控制器发动机头部与身部结合处的高温弹性密封件。24(3) 燃气轮
39、机燃气轮机 航空发动机的燃气轮机材料要求在较高温度下，具有较高的持久强度航空发动机的燃气轮机材料要求在较高温度下，具有较高的持久强度和塑性变形等特点，而使用期限较短；固定式燃气轮机材料要求在较低温和塑性变形等特点，而使用期限较短；固定式燃气轮机材料要求在较低温度下使用期限很长。固定式燃气轮机装置的使用时间取决于它的用途和功度下使用期限很长。固定式燃气轮机装置的使用时间取决于它的用途和功率大小。大功率发电用的固定式装置由于制造费用大，使用时间至少考虑率大小。大功率发电用的固定式装置由于制造费用大，使用时间至少考虑为为100000h；商船和热力机车上的燃气轮机装置使用时间考虑在；商船和热力机车上的
40、燃气轮机装置使用时间考虑在100000h之内；军用舰艇上的燃气轮机装置使用时间考虑之内；军用舰艇上的燃气轮机装置使用时间考虑1000050000h。 燃气轮机的燃烧室、导向叶片、工作叶片、涡轮盘和转子的要求与航燃气轮机的燃烧室、导向叶片、工作叶片、涡轮盘和转子的要求与航空发动机相似。涡轮盘和气缸法兰盘的紧固螺栓，其工作温度与涡轮盘及空发动机相似。涡轮盘和气缸法兰盘的紧固螺栓，其工作温度与涡轮盘及气缸相同。燃气轮机中的螺栓，有时必须在高达气缸相同。燃气轮机中的螺栓，有时必须在高达600750的温度下工作。的温度下工作。对紧固螺栓材料的主要要求是高温时应具有高的屈服强度和抗松弛性能。对紧固螺栓材料
41、的主要要求是高温时应具有高的屈服强度和抗松弛性能。为了使连接的零件可以自由膨胀和减少温差应力，螺栓和连接零件的材料为了使连接的零件可以自由膨胀和减少温差应力，螺栓和连接零件的材料应具有相同的热膨胀性能。应具有相同的热膨胀性能。25 537合金是在合金是在800850工作温度下长期使用的镍基铸造耐热腐蚀合工作温度下长期使用的镍基铸造耐热腐蚀合金，可用于地面燃气轮机和舰用燃气轮机上涡轮叶片的制作。合金金，可用于地面燃气轮机和舰用燃气轮机上涡轮叶片的制作。合金800的抗拉强度可达的抗拉强度可达800MPa以上；在以上；在815、430MPa下的持久寿命大于下的持久寿命大于100h；800、220MP
42、a下的持久寿命大于下的持久寿命大于20000h；抗热腐蚀性能相当于；抗热腐蚀性能相当于国外的国外的 IN-738合金，但不含价格昂贵的稀有金属钽，成本低。合金，但不含价格昂贵的稀有金属钽，成本低。 543合金具有良好的高温组织稳定性。在合金具有良好的高温组织稳定性。在800、经、经 8000h 时效后没时效后没有发现有害相。有发现有害相。 543 合金可用作在合金可用作在700750环境下长期使用的燃气轮机环境下长期使用的燃气轮机动叶片材料。动叶片材料。 GH333系镍基高温耐蚀合金，工作温度可达系镍基高温耐蚀合金，工作温度可达900，用于制造燃气轮，用于制造燃气轮机火焰筒、过渡段等燃烧部件。
43、机火焰筒、过渡段等燃烧部件。26(4) 汽油及柴油发动机汽油及柴油发动机 1) 排气阀排气阀 工作温度一般为工作温度一般为600800，最高可达，最高可达850以上。由于以上。由于气阀的高速运动和频繁的启动除了可能出现机械疲劳外，在气阀头部也气阀的高速运动和频繁的启动除了可能出现机械疲劳外，在气阀头部也可能产生冷热疲劳。为了避免可能产生冷热疲劳。为了避免“爆振爆振”，常在汽油中加入乙基铅、溴化铅，常在汽油中加入乙基铅、溴化铅等抗爆剂，所以汽车发动机排气阀要求抗等抗爆剂，所以汽车发动机排气阀要求抗PbO腐蚀。重油中，含钒、硫、腐蚀。重油中，含钒、硫、钠等，故柴油机排气阀要求抗钠等，故柴油机排气阀
44、要求抗V2O3,，钠和硫的腐蚀。，钠和硫的腐蚀。 2) 烧嘴烧嘴 船舶、油田钻机、机车、挖掘机等柴油机预燃烧室烧嘴，船舶、油田钻机、机车、挖掘机等柴油机预燃烧室烧嘴，在在800900长时间使用，要求组织性能稳定，抗热循环疲劳性能良好，长时间使用，要求组织性能稳定，抗热循环疲劳性能良好，膨胀系数较低。膨胀系数较低。GH128和和RA333高温合金用于高温合金用于12V180Z 型柴油机预燃烧型柴油机预燃烧室烧嘴，室烧嘴，GH128寿命达到寿命达到4000h，最高达，最高达8408h；RA333最高寿命达最高寿命达 11600h。另有。另有PZ502合金的性能与合金的性能与RA333合金喷嘴相当，
45、且强度高、切削合金喷嘴相当，且强度高、切削性能好、成本低，在各种发电机、船舶主机上使用。性能好、成本低，在各种发电机、船舶主机上使用。27 3) 热发生器热发生器 作为排气净化装置，热发生器工作温度达作为排气净化装置，热发生器工作温度达1000。随。随着发动机的起动着发动机的起动-停车的间断加热条件，促使氧化膜破坏和剥落。与排气阀停车的间断加热条件，促使氧化膜破坏和剥落。与排气阀相同，尤其使用高铅汽油，由于铅化合物产生加速氧化；另外，因排气中相同，尤其使用高铅汽油，由于铅化合物产生加速氧化；另外，因排气中低氧压的缘故，大气中微量的低氧压的缘故，大气中微量的SO2和硫酸盐容易引起硫化。和硫酸盐容
46、易引起硫化。 4) 增压器增压器 柴油机发展中增压技术，废气增压涡轮，是利用气缸排柴油机发展中增压技术，废气增压涡轮，是利用气缸排出的废气带动，以增加进气压力，加大进气量，从而加强燃烧。采用废气出的废气带动，以增加进气压力，加大进气量，从而加强燃烧。采用废气涡轮增压，可成倍地提高柴油机功率，大幅度降低单位功率，具有重大的涡轮增压，可成倍地提高柴油机功率，大幅度降低单位功率，具有重大的经济效益。我国的经济效益。我国的K13合金，是一种合金，是一种Fe-Ni-Cr基铸造高温合金，与国外采基铸造高温合金，与国外采用用Incone1713和和X40合金相比，含镍少，不含钴。合金相比，含镍少，不含钴。K
47、13合金大量用于制造合金大量用于制造涡轮和叶片铸件，是涡轮和叶片铸件，是750环境理想的增压涡轮材料。环境理想的增压涡轮材料。K18合金是不含钴合金是不含钴的镍基铸造高温合金。合金密度小，具有良好的综合性能，组织稳定性和的镍基铸造高温合金。合金密度小，具有良好的综合性能，组织稳定性和铸造工艺性能佳。在较宽的温度范围内可用作燃气涡轮工作叶片、导向叶铸造工艺性能佳。在较宽的温度范围内可用作燃气涡轮工作叶片、导向叶片、整铸涡轮和柴油机增压器。片、整铸涡轮和柴油机增压器。28(5) 核工业核工业 1) 核包壳核包壳 燃料元件包壳管壁承受燃料元件包壳管壁承受600800高温，且壁又薄，所高温，且壁又薄，
48、所以材料必须具有高的蠕变强度。在液体金属冷却反应堆中，使用氧化物燃以材料必须具有高的蠕变强度。在液体金属冷却反应堆中，使用氧化物燃料时，包壳受到的应力约为料时，包壳受到的应力约为120150MPa。材料在上述条件下会出现严重。材料在上述条件下会出现严重的塑性变形，从而造成燃料元件的提前断裂。在燃料元件使用寿命终期，的塑性变形，从而造成燃料元件的提前断裂。在燃料元件使用寿命终期，包壳受到的机械应力是最大的，因而对其机械性能要求也高。燃料元件包包壳受到的机械应力是最大的，因而对其机械性能要求也高。燃料元件包壳材料外部受冷却剂的侵蚀，内部受燃料的侵蚀，所以作为燃料元件包壳壳材料外部受冷却剂的侵蚀，内
49、部受燃料的侵蚀，所以作为燃料元件包壳材料的耐腐蚀率也有高的要求。对铁基和镍基合金来说，还有金属的溶解材料的耐腐蚀率也有高的要求。对铁基和镍基合金来说，还有金属的溶解腐蚀，镍含量高时，腐蚀率显著增高。燃料元件的包壳除受冷却剂的腐蚀腐蚀，镍含量高时，腐蚀率显著增高。燃料元件的包壳除受冷却剂的腐蚀以外，与燃料的化学反应、辐照损坏也是可能导致包壳材料的重要问题之以外，与燃料的化学反应、辐照损坏也是可能导致包壳材料的重要问题之一，对快速中子增殖反应堆燃料包壳材料具有重要影响的还有高温脆性。一，对快速中子增殖反应堆燃料包壳材料具有重要影响的还有高温脆性。 钠冷反应堆燃料包壳材料一般有三大类：不锈钢、镍基合
50、金和难熔金钠冷反应堆燃料包壳材料一般有三大类：不锈钢、镍基合金和难熔金属及其合金。镍基合金有属及其合金。镍基合金有Hastelloy、Incoloy800、Nimonic80A等。等。29 2) 燃料元件定位架燃料元件定位架 它处于高温、高压、高通量辐照等苛刻条件它处于高温、高压、高通量辐照等苛刻条件下工作，要求材料有较好的综合性能。下工作，要求材料有较好的综合性能。GH169A合金冷轧带材具有良好的合金冷轧带材具有良好的冷冲压性能和钎焊性能，能满足要求。冷冲压性能和钎焊性能，能满足要求。 3) 高温气体炉高温气体炉 这是将氦气作为冷却介质的反应堆，可获得这是将氦气作为冷却介质的反应堆，可获得
